薄壁加筋结构设计

QuestionNO.考题三工程构造分析应用作业薄壁加筋构造设计NameStudentNo.CollegeProfessionEmailAddressMobileNO.摘要 薄壁加筋构造是航空、造船以及土木工程领域内广泛使用的一种构造构件形式，而其自身的构造特点决定其稳定性能时设计的首要指标，除此之外，强度和质量规定也是本文重要的设计指标。本文运用大型通用的有限元软件PATRAN设计了一种薄壁加筋构造，很好的满足了问题规定的性能指标。关键字：数值模拟屈曲分析薄壁加筋构造设计目录\l"_Toc"第一章薄壁加筋构造的理论基础 3\l"_Toc"1.1薄板的临界失稳载荷计算 3\l"_Toc"1.2薄壁杆的局部失稳和总体失稳 41.3加筋构造的稳定性分析理论 4\l"_Toc"第二章加筋构造设计规定及思绪简介 5\l"_Toc"2.1加筋构造设计规定 5\l"_Toc"2.2构造设计思绪 5\l"_Toc"2.2.1设计规定分析 5\l"_Toc"2.2.2屈曲分析理论估算 5\l"_Toc"2.3分析总结 6\l"_Toc"第三章薄壁加筋构造数值模拟及成果分析 7\l"_Toc"3.1初步确定模型 7\l"_Toc"3.2建立模型 7\l"_Toc"3.3成果分析 8\l"_Toc"3.4方案12的数值计算成果和分析总结 9\l"_Toc"3.4.1方案12的屈曲数值计算成果 9\l"_Toc"3.4.2分析总结 10\l"_Toc"第四章总结 10第一章薄壁加筋构造的理论基础薄板的临界失稳载荷计算如下图1.1.1所示，一方板在X轴方向受均匀拉应力σ的作用，为简要起见，仅给出理论公式及其边界条件，推导过程省略。图1.1.1薄板受力示意图如下给出K值的取值及其边界条件支持状况系数k值四边简支四边固支三边简支，与载荷平行一边自由薄壁杆的局部失稳和总体失稳如图1.2.1所示，常见的有如下几种加筋型材，也就是薄壁杆件：Fig1.2.1薄壁杆件示意图查参照书可得，失稳载荷计算公式如下：薄壁杆件的总体失稳：其中薄壁杆件的局部失稳1.3加筋构造的稳定性分析理论 加筋构造示意图如下：Fig1.3.1加筋构造示意图加筋板件所能承受的最大总载荷为：其中，，第二章加筋构造设计规定及思绪简介 本章重要根据设计规定，提出设计思绪，并作一定的理论计算，为下一章的数值模拟提供参数设计的范围和详细的构造形式。2.1加筋构造设计规定：1、构造承受单向压缩载荷，压缩载荷>1.0×106N2、构造的受载边长不得不不小于500mm，构造的长度不小于500mm3、材料弹性模量为70000N/mm2密度为2.8×10－6kg/mm34、受压构造在压缩载荷作用下不许出现总体失稳和局部失稳5、构造的许用应力不不小于500MPa6、构造重量<0.007kg/mm（单位长度）

2.2构造设计思绪 本节重要分析设计规定，并就设计规定做一定的模型简化，应用第一章理论进行一定的估算和经验设计。2.2.1设计规定分析上述材料已给定，不需此外设计。而构造的大小取最低规定，即为板长宽为500mm*500mm.此时考虑质量规定和强度规定可得：截面积最大为2500mm2等效厚度为5mm最大承载均布压力为500MPa最大承载压缩载荷为1.25e-6N2.2.2屈曲分析理论估算：若该板不加筋，根据第一章中理论计算公式，可得t=5时σcr=20.49MPa，Pcr=92.24MPa。明显不满足规定，因此必须加筋。应用第三章中的加筋板的屈曲理论，计算板的临界载荷随加筋数量的影响。由于t<1或t>3.5时，该临界载荷参照性较低，故本文只给出如下几种厚度板的临界随加紧数量的变化：Fig2.2.1板的临界载荷随厚度和加筋数量的影响2.3分析总结有图可知，选定板的厚度为2—2.5左右的范围是可靠的，加筋为9-10根，临界应力在300-500MPa之间。加筋形式初选为L型和Z型（如下图2.2.2所示），和壁板用铆钉连接，共同承压。Fig2.2.2左为L型，右为Z型第三章薄壁加筋构造数值模拟及成果分析3.1初步确定模型：在初步的数值模拟中，发现L型的抗屈曲性能明显弱于Z型，因此选择抗屈曲稳定性胶高的Z型桁条。预置加筋数量为9根，有关构造如图3.1.1所示：图3.1.1构造示意图3.2建立模型由于该构造为薄壁加筋构造，故采用2D的SHELL单元来模拟薄板和桁条。共使用19089个节点以及20600个单元。在薄板三边设置简支边界条件，即限定三个方向位移.另一边仅限制X和Z方向位移,加载1为Y向压力为1MPa，加载2为10e6/S（MPa）,其中S为该构造的截面积。模型如下图3.2.1所示：图3.2.1有限元模型工况一：Y向压力为1（MPa）工况一：Y向压力为10e6/S（MPa）3.3成果分析在第一章中我们已经预估了薄板t的范围，因此在该范围内不停变化t的大小以及桁条的厚度，分别进行工况一线性屈曲特性值分析（选用第一阶模态）与工况二线性静态分析（选用米歇斯应力最大值）下的数值模拟，得到计算成果如下图：方案板厚/mm桁条厚度/mm总面积/Mm2应力/MPa总临界载荷/N板最大应力/MPa桁条最大应力/MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.752485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.502450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.352.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于总临界载荷>10e6(N)，总面积<2500mm2，以及最大许用应力为500MPa，因此符合规定的只有方案9-12，当然不停加厚板的面积也许尚有满意的成果，但对于本文来说，这四种方案已经足够满足性能指标。考虑到公益性、可加工性、一致性以及强度的可靠度，本文拟采用方案12.其能满足强度规定，稳定性规定，以及质量规定。下一节将详细给出方案12的数值计算成果：3.4方案12的数值计算成果和分析总结3.4.1方案12的屈曲数值计算成果1）屈曲特性值分析第一阶模态云图如图3.4.1（a）所示：图3.4.1（a）第一阶模态云图静力分析米歇斯应力云图如图3.4.2（b）所示：图3.4.2（b）静力分析米歇斯应力 3.4.2分析总结以上云图基本阐明了该方案满足性能指标，并且尚有相称大的余量，这也是可靠性设计的规定。由屈曲云图可知，该构造在承受10e6牛顿的压力时既没有发生局部失稳也没有发生整体失稳。而在承受该载荷时，最大